Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Praxisorientierte Erweiterung der Schadensvorhersage zur ausschussarmen Fertigung in der Kaltmassivumformung von Stählen mit nichtmetallischen Einschlüssen als Schädigungsinitiatoren

Trotz der bekannten schädigungsinitiierenden Wirkung nichtmetallischer Einschlüsse (NE) bleiben diese in derzeit verwendeten Schädigungsmodellen unberücksichtigt. Das Forschungsziel besteht darin, ergänzend zur Schädigungsmodellierung eine praxistaugliche Bewertungsmethode für NE in Stählen während der Kaltmassivumformung zu entwickeln.

Daher sollen im Vorhaben lokale Beanspruchungszustände im Umfeld von NE in Bezug auf das Schädigungsverhalten analysiert und das resultierende Schädigungsausmaß quantifiziert werden, um die Schädigungswirkung vorhandener NE bei der Auslegung von Umformprozessen zu berücksichtigen. Der Lösungsweg beinhaltet die Probenherstellung mit unterschiedlichen Einschlussmorphologien, Durchführung von Umformversuchen, Identifikation von technologischen Eigenschaften, mikrostrukturelle Charakterisierung der NE, Simulationen des NE-Verhaltens in ihrem Matrixmaterial, Entwicklung eines plattformübergreifenden Postprozessors zur Berechnung des Schädigungsausmaßes bei verschiedenen NE-Eigenschaften und Belastungsgeschichten sowie die abschließende Validierung der Methode durch industrierelevante Umformprozesse.

Die angestrebten Ergebnisse in Form der Bewertungsmethode sollen Umformunternehmen erlauben, Kriterien für NE in Abhängigkeit des Umformprozesses festzulegen. Damit werden auch KMU in der Lage sein, neue Umformstrategien auszuarbeiten, mit denen ein Stahl selbst bei sowohl systematisch als auch unsystematisch auftretenden NE schadenstolerant umgeformt werden kann.

Der Nutzen der KMU folgt aus

1) Einer kostenrelevanten Absenkung der Fehlerquote von gefertigten Bauteilen;

2) Einem besseren Ausnutzen der Umformgrenzen der Werkstoffe und somit der Realisierung alternativer Bauteilformen mit geringerem Gewicht und Energie- bzw. Werkstoffverbrauch;

3) Dem kostenorientierten Einkauf besser angepasster Stahlqualitäten;

4) Einer Einsparung der kosten- und zeitintensiven Versuchsschleifen durch die präzisere simulative Prozessauslegung.

Ergebniszusammenfassung:

Mit Hilfe eingehender experimenteller Untersuchungen wurde eine Methode entwickelt, die das bisher ungelöste Problem des Einflusses von komplexen Belastungen auf im Stahl stets vorhandene schädigungsinitiierende nichtmetallische Einschlüsse (NE) angeht und diesen bewertbar macht. Ausgehend von einem Basiswerkstoff 16MnCr5 bzw. 16MnCrS5 erfolgte die Erzeugung von Laborschmelzen in einem Vakuuminduktionsofen. Die experimentelle Anpassung erfolgte unter anderem anhand einer speziellen Laborschmelze mit reduziertem sulfidischem Reinheitsgrad. Die Bewertung des Belastungseinflusses auf das Verformungs- und Schädigungsverhalten von NE unterschiedlicher Morphologie fand anhand des Spannungstriaxialitätsparameters statt. Die Simulationsberechnungen basierten auf Zellmodellrechnungen mit dem freien Finite-Elemente-Programm Calculix, die mit diversen in situ-Untersuchungen korreliert wurden. Die abschließenden Validierungsversuche im Labormaßstab sowie unter industriellen Bedingungen rundeten die Ausführungen ab. Die Erkenntnisse machten deutlich, dass bei einem immer gegebenen minimalen Anteil an NE im Stahl sowohl kritische als auch unkritische Beanspruchungszustände in Bezug auf die Schadenstoleranz quantifizierbar sind, um diese bei der Auslegung von Umformprozessen zu berücksichtigen.

Die in Form eines plattformübergreifenden Postprozessors realisierte Vorgehensweise für eine praxistaugliche Bewertung schädigungsinitiierender NE in anwendungsrelevanten Kaltfließpressstählen während der Kaltmassivumformung erlaubt den Umformunternehmen außer dem bisher spezifizierten Reinheitsgrad konkrete Kriterien für Form, Größe, Orientierung, u. a. von NE in Abhängigkeit des Umformprozesses festzulegen. Damit werden auch KMU in der Lage sein, neue Umformstrategien auszuarbeiten, mit denen ein Stahl selbst bei sowohl systematisch (z. B. MnS-Zeiligkeit) als auch unsystematisch auftretenden Einschlüssen (z. B. oxidische Einschlusscluster) noch schadenstolerant umgeformt werden kann.